圍壓作用對深孔爆破效果影響的研究

王九紅，陳大勇，吳占偉，郭 英，鄭晨陽

(1.兗礦能源(鄂爾多斯)有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017010；2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

炸藥的爆炸作用促使礦體產生裂隙，從而實現了應力改變、強度減弱、孔隙率提高等工程目的[1]。隨著淺埋煤層的不斷開采直至枯竭，深部煤層開采勢在必行。在此情況下，深孔爆破得到了廣泛應用，如超前工作面厚硬頂板深孔爆破，以降低厚硬頂板整體強度，減小頂板破斷距及其破斷動載。隨著開采深度的不斷增加，圍巖所受的地應力越來越大，深孔爆破時炮孔承受的圍壓作用也越來越大，并且無爆破自由面。爆破裂紋的空間形態是爆破設計的依據，但受限于爆炸過程的復雜性，目前爆破裂紋擴展范圍還主要參考無圍壓條件下的爆破參數確定方法，仍存在很大的盲目性。

圍壓作用對深孔爆破效果的影響引起了國內外學者的廣泛興趣，并得到了一些研究成果。胡楠[2]研究發現隨著圍巖應力的增加，巖石的損傷破壞程度不斷提高，且當煤層應力處于10～40 MPa之間時，隨著地應力增大，其破壞類型逐漸由拉伸破壞向剪切破壞轉化，進而抑制爆破產生主裂紋數目和寬度，表現為巖石不易破壞，張西良等[3]、黃文堯等[4]、NING等[5]、穆朝民等[6]、岳萬友等[7]、陳明等[8]也證實了該基本結論。魏晨慧等[9]通過建立力學模型指出地應力的大小對裂紋的擴展方向及規模具有很大影響。

在爆破防治效果方面，通過深孔爆破在破碎區和裂隙區形成的弱面、空腔、眾多的次生裂隙對頂板進行弱化并發生位移[10-11]，破壞了巖石的完整性[12]，使得極限應力轉移至工作面遠場，取得了頂板與兩幫的破壞速率明顯減緩的效果[13]，減輕了工作面初次來壓顯現，消除了懸頂風險，能夠有效預防并控制沖擊礦壓的發生[14-15]，并且為提高瓦斯抽采率奠定了基礎[16]，最終實現了工作面高效安全生產并取得了良好的經濟效益與社會效益[17]。

在實驗室物理模擬實驗方面，劉殿書等[18]、肖正學等[19]、高全臣等[20]以激光動光彈為實驗手段進行物理模擬實驗。實驗結果顯示，較低的靜應力可以隱沒在動應力場中，而較高的靜應力可以影響甚至改變動應力場的傳播過程，初始應力場的存在不僅改變了應力波的傳播規律，并且對裂紋發展起到了一定的導向作用。在高應力巖巷實施深孔爆破時，炮孔間的應力夾制作用較強，爆炸載荷在炮孔間的相互反射作用減弱，為合理布置炮孔間距提供了理論依據。

上述研究對有無圍壓作用下的深孔爆破效果研究提供了重要參考，但是這些研究多側重有圍壓或無圍壓作用下對爆破裂紋的單方面影響，故圍壓對爆破效果及作用過程有待進一步的研究，因此，采用理論分析和有限元數值模擬的方法著重研究圍壓對爆破效果的影響機制。

1 頂板深孔爆破效果分析

1.1 深孔內部爆破作用機理

當裝藥爆炸時，爆破自由面上無法看到爆破痕跡，爆破后產生的爆破裂紋只產生在巖體內部，而不能到達爆破自由面，這種現象稱為內部爆破過程。深孔爆破由于沒有爆破自由面，并且炮孔處在原巖應力之中，巖體被爆炸產生的能量完全作用，使其發生不同程度的變形和破壞，這一過程在動力學表現得尤為復雜。根據巖石爆破后受損破壞特征，可將其分為破碎區、裂隙區及震動區。破碎區消耗了大量的爆破能量，其范圍一般為3～7倍的炮孔半徑；裂隙區由拉伸破壞形成，其范圍大小是衡量爆破效果的主要參數，震動區內的巖石所受炸藥爆炸能量相對較小。

1.2 柱狀爆破巖石裂隙區計算

在采用不耦合裝藥、不考慮地應力的條件下，破碎區半徑不大，一般為(3～7)R0，其中R0為裝藥半徑，爆炸應力波所產生的巖石裂隙區半徑R計算公式見式(1)。

(1)

(2)

B=

(3)

(4)

(5)

地下爆破施工過程中，地應力的影響不可忽略，比較好的做法是在確定巖石爆破中裂隙區范圍時將其轉變成平面應變問題來處理。而式(1)求得的裂隙區半徑公式并沒有考慮初始地應力對其造成的影響，在淺孔爆破或中深孔爆破時，可以忽略地應力對計算結果影響，但對于深孔爆破，地應力對計算結果影響較大，不可以忽視。而由于破碎區靠近炮孔，爆破所產生的沖擊波和爆生氣體的威力很大，地應力與其相比可以忽略，因此破碎區范圍基本不受影響。但在考慮地應力的情況下，距離炮孔較遠距離處的沖擊波和爆生氣體經過傳播已經明顯減小，且初始應力對裂縫的擴大產生干涉，其方向和長度均會因此發生變化，此時裂隙區長度求解公式就需要把地應力的影響考慮在內。因此對式(1)進行修正[21]，得到式(6)。

(6)

式中，ζ<1，ζ值需考慮深部巖體的物理力學性質。利用式(6)計算可得爆破所產生的破碎區半徑為0.15～0.30 m，裂隙圈半徑為3.8 m。

2 爆破效果數值模擬分析

2.1 數值計算模型方案

由于爆破試驗的復雜性及材料的高消耗性，采用大型有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對圍壓條件下炸藥爆炸效果進行數值模擬，炸藥的爆轟產物采用JWL狀態方程，巖石材料采用H-J-C模型，數值計算模型由炸藥、空氣、巖石、堵塞材料組成，其中，炸藥、空氣采用ALE多物質單元，巖石和堵塞材料選用拉格朗日網格，巖石與炸藥、空氣之間的相互作用采用流固耦合算法，巖石與堵塞材料定義為面面接觸。

由此可得模擬圍壓條件下，爆破裂紋的擴展規律及應力場的時空分布，巖石柱狀裝藥時，若柱狀藥包較長，則垂直于柱狀藥包長度方向的截面的破壞情況相像，此時的爆破模型可簡略看作為平面應變模型，考慮到柱狀裝藥巖石爆破的特點，爆破分析時只選取垂直于炸藥長度方向的一個截面進行分析。 計算模型尺寸為1 000 mm×1 000 mm×10 mm，炸藥的直徑為59 mm，位于模型幾何中心，模型厚度方向施加位移約束，計算模型如圖1所示，分2種圍壓條件進行研究(表1)，以便對比分析圍壓對爆破效果的影響，其中第二種方案中施加的應力條件為工作面實際的地應力大小。

圖1 數值計算模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of numerical calculation model

表1 數值模擬圍壓條件Table 1 Numerical simulation of confining pressure conditions

2.2 圍壓條件下爆破效果分析

首先在不考慮巖體初始應力的情況下，對無圍壓條件下炮孔周圍爆破裂紋擴展規律及應力波傳播、衰減規律進行了模擬，炸藥主要性能指標見表2，計算結果如圖2所示。

表2 炸藥主要性能指標Table 2 Main performance indicators of explosives

在不考慮巖體地應力的條件下，炸藥從開始爆炸到裂紋形成的整個過程如圖2所示，最終爆破裂紋形態如圖3所示。

圖2 無圍壓條件下爆破裂紋及應力波擴展過程Fig.2 Burst cracking and stress wave expansion process without confining pressure

圖3 無圍壓條件下炮孔最終爆破裂紋形態Fig.3 Final blasting crack morphology of blasthole without confining pressure

由圖2和圖3所示模擬結果可知，炸藥爆炸后形成破碎區的過程持續時間很短，約為160 μs，此過程中爆炸沖擊波的壓力載荷遠遠超過巖體的抗壓強度，巖體產生劇烈的壓縮破壞，巖體直接被壓縮粉碎，形成破碎區。破碎區的半徑為0.25 m，約為裝藥半徑的8倍。

圖4為無圍壓條件下破碎區邊界上巖體質點的壓力時程曲線。由圖4可知，沖擊波作用時間約為200 μs，壓力峰值為150 MPa。

圖4 無圍壓條件下破碎區邊界單元壓力-時程曲線Fig.4 Pressure and time course curve of boundary elements in fracture zone without confining

圖5為巖體質點峰值壓力隨爆心距的衰減曲線。由圖5可知，峰值壓力隨爆心距的增加呈負指數型衰減。

圖5 無圍壓條件下沖擊波峰值壓力變化曲線Fig.5 Shock wave peak pressure change curve without confining pressure

破碎區形成之后，在該區域周圍開始出現徑向裂隙并不斷擴展，整個過程大約持續1 ms。通過分析無圍壓條件下爆破裂紋形態可知，無圍壓條件下炮孔周圍裂紋擴展方向以炮孔為中心向四周呈放射狀較均勻分布，發育有若干條較長的徑向主裂縫以及眾多分支微裂縫，裂隙區半徑約為2.0 m， 約為裝藥半徑的67倍。另外， 當破碎區形成之后，在該區域周圍還發育有環向(徑向)裂隙，主要是因為當破碎區空腔形成及壓應力波通過之后， 積蓄在巖體內的一部分彈性變形能釋放， 產生與徑向壓應力作用相反的向心拉應力，當徑向拉應力超過巖體的抗拉強度時形成環向(切向)裂隙。

巖體在圍壓條件下，炸藥從開始爆炸到裂紋形成的整個過程如圖6所示，最終爆破裂紋形態如圖7所示。

圖6 實際地應力條件下爆破裂紋及應力波擴展過程Fig.6 Burst cracking and stress wave expansion under actual ground stress conditions

圖7 實際地應力條件下炮孔最終爆破裂紋形態Fig.7 Final blasting crack morphology of blast hole under actual ground stress conditions

由圖6和圖7所示模擬結果可知，炸藥爆炸后形成破碎區的過程持續時間很短，約為160 μs，破碎區的半徑為0.25 m，通過與無圍壓條件下爆破結果對比可知，破碎區形成的時間和破碎區半徑基本一致，說明巖石有無圍壓對其爆破破碎區的形成基本沒有影響，主要因為破碎區是在炸藥引爆后產生的爆炸沖擊波壓力載荷遠超過巖體的抗壓強度，使巖體直接被壓縮粉碎所形成的，此過程中炸藥引爆瞬間產生的壓力載荷遠超過巖體所處圍壓的大小，即圍壓與炸藥爆炸瞬間產生的沖擊波壓力相比微乎其微。

圖8為圍壓條件下巖體破碎區邊界上單元壓力與時程曲線。由圖8可知，沖擊波作用時間約為200 μs，最高壓力值為190 MPa，在爆炸應力波未到達巖石單元之前，單元的初始壓力保持不變，爆炸應力波到達巖石單元之后，有無圍壓條件下單元壓力波峰值到達時間和壓力時程曲線的形態是一樣的，說明圍壓并不影響柱狀裝藥爆炸沖擊波、應力波的傳播速度和傳播規律。

圖8 圍壓條件下破碎區邊界單元壓力-時程曲線Fig.8 Pressure and time course curve of boundary elements in the crushing area with confining

圖9為巖體內單元峰值壓力隨爆孔中心距離的關系曲線。由圖9可知，單元峰值壓力隨爆心距的增加呈類指數形式衰減，與無圍壓條件曲線相比，衰減系數基本一致，說明圍壓并不改變柱狀裝藥爆炸應力波傳播過程中的衰減規律。

圖9 圍壓條件下沖擊波峰值壓力變化曲線Fig.9 Shockwave peak pressure change curve under confining conditions

通過分析有圍壓條件下爆破裂紋最終形態可知，圍壓條件下爆破后主裂縫半徑長約1.5 m(裝藥半徑的50倍)，裂縫主要延伸方向與最小主應力方向夾角約20°，裂隙區近似為“橢圓形”。與無圍壓條件下爆破裂紋形態相比，發現裂紋長度、形態受圍壓的影響較大，裂紋長度小于無圍壓條件下的裂紋長度，說明圍壓能夠遏制裂紋的擴展，這是因為徑向裂紋的延伸主要受拉應力在切線方向分量的控制，而圍壓的存在削弱了此方向的拉應力分量，從而遏制了爆破裂紋的擴展。

3 結 論

1) 通過理論分析和數值模擬的方法對比有無圍壓對深孔爆破效果可知，圍壓對深孔爆破效果的影響顯著，在工程實踐及爆破參數設計中，一定要引起足夠的重視。

2) 圍壓通過削弱切線方向的拉應力分量影響爆破裂紋的方向；圍壓條件下裂紋長度較短，表明圍壓會抑制爆破裂紋的擴展，進而影響爆破裂紋最終形態，最終影響爆破效果。

3) 有無圍壓對其爆破破碎區的形成基本沒有影響，圍壓并不改變柱狀裝藥爆炸沖擊波、應力波的傳播速度和傳播規律，也不改變爆炸應力波傳播過程中的衰減規律。